- Het belang van lage temperaturen
- Geschiedenis, fundamenten en eigendommen
- De theorie van supergeleiding
- Hoe maak je een fermioncondensaat?
- Mediator deeltjes
- Samengestelde bosonen
- Hoe een fermionisch condensaat werd verkregen
- Toepassingen en voorbeelden
- Referenties
Een Fermi-condensaat is in strikte zin een zeer verdund gas dat bestaat uit fermionische atomen die zijn blootgesteld aan een temperatuur dichtbij het absolute nulpunt. Op deze manier, en onder geschikte omstandigheden, gaan ze over in een superfluïde fase en vormen ze een nieuwe staat van aggregatie van materie.
Het eerste fermionische condensaat werd verkregen op 16 december 2003 in de Verenigde Staten, dankzij een team van fysici van verschillende universiteiten en instellingen. Het experiment gebruikte ongeveer 500 duizend kalium-40-atomen die waren onderworpen aan een variabel magnetisch veld en een temperatuur van 5 x 10 -8 Kelvin.
Supergeleidende magneet. Bron: pixabay
Die temperatuur wordt beschouwd als bijna het absolute nulpunt en is veel lager dan de temperatuur van de intergalactische ruimte, die ongeveer 3 Kelvin is. Het absolute nulpunt van de temperatuur wordt geacht 0 Kelvin te zijn, wat overeenkomt met -273,15 graden Celsius. Dus 3 Kelvin komt overeen met -270,15 graden Celsius.
Sommige wetenschappers beschouwen fermionisch condensaat als de sekse-toestand van materie. De eerste vier toestanden zijn het meest bekend bij iedereen: vast, vloeibaar, gas en plasma.
Eerder werd een vijfde toestand van materie verkregen wanneer een condensaat van bosonische atomen werd bereikt. Dit eerste condensaat ontstond in 1995 uit een zeer verdund rubidium-87-gas, gekoeld tot 17 x 10-8 Kelvin.
Het belang van lage temperaturen
Atomen gedragen zich heel anders bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt, afhankelijk van de waarde van hun intrinsieke impulsmoment of spin.
Dit verdeelt deeltjes en atomen in twee categorieën:
- De bosonen, dit zijn die met gehele spin (1, 2, 3,…).
- Fermionen, dit zijn die met een semi-integer spin (1/2, 3/2, 5/2,…).
Bosonen hebben geen beperkingen, in de zin dat twee of meer van hen dezelfde kwantumtoestand kunnen innemen.
Aan de andere kant voldoen fermionen aan het Pauli-uitsluitingsprincipe: twee of meer fermionen kunnen niet dezelfde kwantumtoestand innemen, of met andere woorden: er kan maar één fermion per kwantumtoestand zijn.
Dit fundamentele verschil tussen bosonen en fermionen maakt fermionische condensaten moeilijker te verkrijgen dan bosonische condensaten.
Om fermionen alle lagere kwantumniveaus te laten bezetten, is het nodig dat ze eerst in paren uitgelijnd zijn, om de zogenaamde "Cooper-paren" te vormen die bosonisch gedrag vertonen.
Geschiedenis, fundamenten en eigendommen
In 1911, toen Heike Kamerlingh Onnes de weerstand bestudeerde van kwik blootgesteld aan zeer lage temperaturen met vloeibaar helium als koelmiddel, ontdekte hij dat bij het bereiken van de temperatuur van 4,2 K (-268,9 Celsius) de weerstand abrupt tot nul daalde. .
De eerste supergeleider was op een onverwachte manier gevonden.
Zonder het te weten was het HK Onnes gelukt om de geleidingselektronen allemaal bij elkaar te brengen op het laagste kwantumniveau, een feit dat in principe niet kan omdat de elektronen fermionen zijn.
Het was bereikt dat de elektronen naar de superfluïde fase in het metaal gingen, maar omdat ze een elektrische lading hebben, veroorzaken ze een stroom van elektrische lading met nul viscositeit en bijgevolg nul elektrische weerstand.
HK Onnes zelf in Leiden had geconstateerd dat het helium dat als koudemiddel werd gebruikt superfluïde werd bij het bereiken van een temperatuur van 2,2 K (-270,9 Celsius).
Onbewust was HK Onnes er voor het eerst in geslaagd de heliumatomen samen te brengen waarmee hij het kwik afkoelde op hun laagste kwantumniveau. Terloops realiseerde hij zich ook dat wanneer de temperatuur onder een bepaalde kritische temperatuur lag, het helium in de supervloeibare fase terechtkwam (viscositeit nul).
De theorie van supergeleiding
Helium-4 is een boson en gedraagt zich als zodanig, daarom was het mogelijk om van de normale vloeibare fase naar de superfluïde fase te gaan.
Geen van beide wordt echter beschouwd als een fermionisch of bosonisch condensaat. In het geval van supergeleiding bevonden fermionen zich, net als elektronen, binnen het kristalrooster van kwik; en in het geval van superfluïde helium was het overgegaan van de vloeistoffase naar de superfluïde fase.
De theoretische verklaring voor supergeleiding kwam later. Het is de bekende BCS-theorie die in 1957 is ontwikkeld.
De theorie stelt dat elektronen een interactie aangaan met de kristalroostervormende paren die elkaar niet afstoten, maar elkaar aantrekken en zo "Cooper-paren" vormen die als bosonen fungeren. Op deze manier kunnen de elektronen als geheel de laagste energiekwantumtoestanden bezetten, zolang de temperatuur maar laag genoeg is.
Hoe maak je een fermioncondensaat?
Een legitiem fermion of bosoncondensaat moet uitgaan van een zeer verdund gas dat bestaat uit fermionische of boson-atomen, dat zo wordt gekoeld dat de deeltjes allemaal naar de laagste kwantumtoestanden gaan.
Omdat dit veel gecompliceerder is dan het krijgen van een bosoncondensaat, zijn dit soort condensaten pas recentelijk ontstaan.
Fermionen zijn deeltjes of conglomeraten van deeltjes met een halve hele spin. Het elektron, proton en neutron zijn allemaal ½ spin-deeltjes.
De kern van helium-3 (twee protonen en één neutron) gedraagt zich als een fermion. Het neutrale atoom van kalium-40 heeft 19 protonen + 21 neutronen + 19 elektronen, wat neerkomt op het oneven getal 59, dus het gedraagt zich als een fermion.
Mediator deeltjes
De mediërende deeltjes van de interacties zijn bosonen. Onder deze deeltjes kunnen we het volgende noemen:
- Fotonen (bemiddelaars van elektromagnetisme).
- Gluon (bemiddelaars van sterke nucleaire interactie).
- Bosonen Z en W (bemiddelaars van zwakke nucleaire interactie).
- Graviton (bemiddelaars van zwaartekrachtsinteractie).
Samengestelde bosonen
Onder de samengestelde bosonen zijn de volgende:
- Deuteriumkern (1 proton en 1 neutron).
- Helium-4 atoom (2 protonen + 2 neutronen + 2 elektronen).
Wanneer de som van protonen, neutronen en elektronen van een neutraal atoom resulteert in een geheel getal, zal het gedrag boson zijn.
Hoe een fermionisch condensaat werd verkregen
Een jaar voordat het fermioncondensaat werd bereikt, was de vorming van moleculen met fermionische atomen tot stand gebracht die nauw gekoppelde paren vormden die zich gedroegen als bosonen. Dit wordt echter niet als een zuiver fermionisch condensaat beschouwd, maar lijkt eerder op een bosonisch condensaat.
Maar wat op 16 december 2003 werd bereikt door het team van Deborah Jin, Markus Greiner en Cindy Regal van het JILA-laboratorium in Boulder, Colorado, was de vorming van een condensaat van paren van individuele fermionische atomen in een gas.
In dit geval vormt het atoompaar geen molecuul, maar beweegt het op een gecorreleerde manier samen. Dus als geheel fungeert het paar fermionische atomen als een boson, waardoor hun condensatie is bereikt.
Om deze condensatie te bereiken, ging het JILA-team uit van een gas met kalium-40-atomen (dit zijn fermionen), dat was opgesloten in een optische val van 300 nanokelvin.
Het gas werd vervolgens onderworpen aan een oscillerend magnetisch veld om de afstotende interactie tussen atomen te veranderen en om te zetten in een aantrekkelijke, door middel van een fenomeen dat bekend staat als "Fesbach-resonantie".
Door de parameters van het magnetische veld op de juiste manier aan te passen, kunnen de atomen Cooper-paren vormen in plaats van moleculen. Daarna blijft het afkoelen om het fermionische condensaat te verkrijgen.
Toepassingen en voorbeelden
De technologie die is ontwikkeld om fermionische condensaten te verkrijgen, waarin atomen praktisch bijna individueel worden gemanipuleerd, zal de ontwikkeling van onder andere quantum computing mogelijk maken.
Het zal ook het begrip van fenomenen zoals supergeleiding en superfluïditeit verbeteren, waardoor nieuwe materialen met speciale eigenschappen mogelijk worden. Bovendien is ontdekt dat er een tussenliggend punt is tussen de superfluïditeit van de moleculen en de conventionele door de vorming van Cooper-paren.
De manipulatie van ultrakoude atomen zal ons in staat stellen het verschil te begrijpen tussen deze twee manieren om superfluïda te produceren, wat zeker zal resulteren in de ontwikkeling van supergeleiding bij hoge temperaturen.
In feite zijn er tegenwoordig supergeleiders die, hoewel ze niet werken bij kamertemperatuur, ze wel werken bij temperaturen van vloeibare stikstof, die relatief goedkoop en gemakkelijk te verkrijgen is.
Door het concept van fermionische condensaten uit te breiden tot buiten de atomaire fermiongassen, zijn er talloze voorbeelden te vinden waarbij fermionen collectief lage-energetische kwantumniveaus innemen.
De eerste, zoals gezegd, zijn de elektronen in een supergeleider. Dit zijn fermionen die in paren worden uitgelijnd om de laagste kwantumniveaus bij lage temperaturen te bezetten, collectief bosonisch-achtig gedrag vertonen en de viscositeit en weerstand tot nul verminderen.
Een ander voorbeeld van fermionische groepering in lage energietoestanden zijn quarkcondensaten. Ook het helium-3-atoom is een fermion, maar vormt bij lage temperaturen Cooper-paren van twee atomen die zich gedragen als bosonen en superfluïde gedrag vertonen.
Referenties
- K Goral en K Burnett. Fermionic eerste voor condensaten. Hersteld van: physicsworld.com
- M Grainer, C Regal, D Jin. Fermi condenseert. Opgehaald van: users.physics.harvard.edu
- P Rodgers en B Dumé. Fermionen-condensaat maakt zijn debuut. Hersteld van: physicsworld.com.
- Wikiwand. Fermionisch condensaat. Opgehaald van Wikiwand.com
- Wikiwand. Fermionisch condensaat. Opgehaald van Wikiwand.com